JPH0560050B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、シヤフトに加わるトルクを検知する
ための装置に係る。

（従来の技術） 他の種類の構造体の応力を測定するのに用いた
のとほぼ同じ技術により、しばしばトルクが測定
されている。応力を測定する極く一般的な電気的
方法では、圧電歪みゲージ等の歪み感知エレメン
トを、歪みを検知しようとしている部材に直接接
着していた。しかしながらこの技術は、応力の加
わる部材が回転したりあるいは運動する状況の下
では好ましくない。（運動する）歪みゲージを
（通常、静止状態に保たれている）測定装置また
はデイスプレイ回路に電気的に接続することは面
倒であるからである。そうした状況では、応力セ
ンサは静止していることが望ましく、可動部材に
固定しなくても応力を測定できるようにする必要
がある。こうした要望を満たすために非接触応力
センサが開発されてきた。

ある形式の非接触応力センサは、一部の強磁性
材料の磁気透過率とこの材料に加わる応力の大き
さの周知の機能的な依存関係を利用している。一
般にそうしたセンサは、応力の状態を測定しよう
とする強磁性材料に隣接して磁界を作り出し、そ
して部材に生じた磁束の振幅を測定する働きをし
ている。材料を通過する磁束のレベルは材料の磁
気透過率に直接関係している。従つて、測定され
る磁束のレベルは、部材に加わる応力のレベルに
応じて増減する。磁束を発生し且つこれを測定す
るセンサエレメントは、強磁性部材に近接して配
置されているが、この強磁性部材に接触していな
い。このため、部材自体が運動していても、セン
サエレメントは固定しておくことができる。

磁気透過率と応力の間の機能的な依存関係を利
用したトルクセンサは、自動車の用途に開発され
てきた。そうした非接触磁気利用のトルクセンサ
の様々な形式の仕様が、SAE（Society of
Automotive Engineers）の論文820904と820206
に説明されている。これら論文に記載された磁気
利用のトルクセンサは、運動しているシヤフトの
トルクを測定することができ、また高速の応答率
と優れた安定性を示している。更に詳細にのべる
と、この論文には回転シヤフトのトルクを測定す
る磁気−弾性型トルクトランスデイユーサーが示
されている。このトルクトランスデイユーサー
は、コイルを有する複数の極リングを備えてい
る。これら極リングは間隔をあけてシヤフトの周
りに配置されている。又、複数の検出極がシヤフ
トの周りに配置されている。

シヤフトが無負荷のとき極リングの磁場形状は
対称である。トルクがシヤフトに加えられたと
き、主応力が生じ、シヤフト材料の磁気異方性の
ために磁場形状がゆがみ、検出極間にポテンシヤ
ル差が生じ、検出極を通る磁束がトルクに比例し
た電圧を誘導する。しかし、記載のトルクセンサ
では、測定される磁束がシヤフトの磁気透過率に
よつて大きく影響を受ける。このため、測定され
る磁束は、トルク測定装置の極と当該極が隣接し
て配置されるシヤフトとの間の間隙の大きさによ
つても左右される。シヤフトの変位運動、例えば
シヤフトの一部の振動および／または軸方向ある
いは横方向の移動により、間隙の幅が広がつたり
狭まつたりすることがある。従つて、シヤフト内
部の実際のトルク変化とは無関係に、センサの出
力に見せかけの変動が生じる。今までは、そうし
た問題点は、シヤフトを入念に機械加工して一定
の曲面を持たせ、しかも間隙の変動の原因となる
振動とシヤフトの移動とを何にもまして極力抑え
ることにより取り扱われてきた。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、センサを取り付けてあるシヤフトの
半径方向と軸方向の両方向の運動を比較的敏感に
検知する、非接触磁気利用のトルクセンサに係
る。

本発明によれば、シヤフトのねじり荷重を検知
するための装置が提供される。シヤフトの磁気透
過率は、当該シヤフトに加わるねじり荷重に応じ
て変化する。装置は、シヤフトを通り抜ける磁界
を発生するための手段と、磁気透過率の変動によ
つて生じる磁界の変化を検知するためのエレメン
トとを備えている。磁界は、とりわけ、少なくと
も１つの極によつて作り出される。この極はシヤ
フトに隣接して配置され、シヤフトに出入りする
磁束を接続することができる。この位置にある極
は、間隙によりシヤフトから隔てられている。シ
ヤフトは、極が隣接して配置された半径方向に位
置する表面を備えている。従つて、シヤフトの半
径方向の表面と極との間の軸方向の空間により、
間隙が形成される。このため、間隙はシヤフトが
半径方向に移動しても変化しない。

本発明の他の形態によれば、シヤフトは半径方
向に位置する第１と第２の表面を備え、これら表
面は軸方向に向かい合つている。例えば、少なく
とも２つの極が設けられている。各々の極は、半
径方向に位置する第１と第２のそれぞれの表面に
隣接して配置されている。極の磁束は検知され、
両方の極の磁束を合計した量を表わす出力信号が
作り出される。この出力信号は、シヤフトが軸方
向と半径方向に移動しても影響を受けない。シヤ
フトが半径方向に移動しても、前記表面と極との
間隙は変化しない。またシヤフトの軸方向の移動
では、極と半径方向に位置する箇々の表面との間
の間隙幅の変化は相殺される。

本発明のその他の形態によれば、シヤフトのね
じり荷重の変化に際し、螺旋状の応力経路に沿つ
て磁気透過率が変化する、シヤフトのねじり荷重
を検知するための装置が提供される。装置は励磁
極を備えている。この励磁極はシヤフトに隣接し
て配置され、極とシヤフトを通り抜ける磁界を作
り出すことができる。他に４つの極がシヤフトに
近接して配置されているが、箇々の間隙によりシ
ヤフトから隔てられている。極は、シヤフトから
励磁極へ戻る磁束のための経路となつている。２
つの極が、間隔のあいたシヤフト上の地点に隣接
して配置されている。これら地点は、励磁極が隣
接して配置されたシヤフト上の地点を通り抜ける
２つの螺旋状の応力経路の一方にほぼ沿つてい
る。２つの極は、励磁極の両側で当該励磁極から
等距離に配置されている。４つの極のうち残りの
２つの極は、間隔のあいたシヤフト上の地点に隣
接して配置されている。これら地点は、励磁極が
隣接して配置されたシヤフト上の地点を通り抜け
る２つの螺旋状の応力経路の他方にほぼ沿つてい
る。これらの極の、励磁極の両側で当該励磁極か
ら等距離に配置されている。各螺旋状の応力経路
に沿つた２つの極は、それだれの螺旋状の応力経
路に沿つてお互いに充分な間隔をあけられ、これ
ら２つの極に付随した２つの間隙がシヤフト上の
相対する反対側の円周方向の位置にある。その結
果、シヤフトが半径方向に移動しても前記２つの
間隙の幅の変化は相殺される。検知コイルは、極
を通り抜ける磁束の変化を検知し、また検知した
変化に応じてシヤフト上に加わつているねじり荷
重を表わす出力信号を作り出すために設けられて
いる。

本発明の前述の形態および他の形態並びに利点
は、添付図面を引用した以下の詳細な説明から一
層明らかになる。

（実施例） 第１Ａ図、第１Ｂ図および第１Ｃ図は、従来技
術の非接触磁気利用のトルクセンサを図示してい
る。第１Ａ図、第１Ｂ図および第１Ｃ図では、ト
ルクセンサ１０は、測定しようするトルクの加わ
つているシヤフト１２に近接して配置されてい
る。センサ１０は、基本的には、５つの極１４，
１６，１８，２０および２２の構造からできてい
る。５つの極の各々は、シヤフト１２に近接して
配置された一方の端部と、ヨーク２５を通じて他
の４つの極の端に連結された他方の端部とを備え
ている。ヨークと５つの極とは、高い透磁率の材
料からなる複数の積層体で構成されている。４つ
の極１４，１６，１８および２０は、平面図（第
１Ａ図）に見られるように、四角形状に配置され
ており、この四角形の対角線はシヤフト１２に沿
つた直交する螺旋状の応力経路の方向に向いてい
る。第５の極２２は四角形の中央に位置してい
る。５つの極すべての端部はシヤフト１２に隣接
して配置され、端部表面がシヤフトの円筒状の外
側表面と同軸的になるように機械加工されてい
る。

励磁コイル３２が中央の極２２の廻りに巻かれ
ている。また信号ピツクアツプコイル２４，２
６，２８および３０の各々は４つのコーナーの極
１４，１６，１８および２０のそれぞれ１つに巻
き付けられている。コイルは従来と同じもので、
エナメル被覆した銅線の並列巻線からできてい
る。励磁コイル３２はAC信号源（図示せず）に
よつて励振され、励磁コイルの巻かれた中央の極
２２に磁界が誘導されるようになつている。磁界
は中央の極２２を通り、シヤフト１２を通り抜
け、次いで４つのコーナーの極１４，１６，１８
および２０とヨーク２５を通つて励磁極２２に戻
る。

４つのコーナーの極１４，１６，１８および２
０は互いに同一であり、中央の極２２から等しく
距離をおかれ、またシヤフト１２から等しく半径
方向の間隙を設けて配置されている。このため、
４つのコーナーの極の各々を通じて励磁コイルに
戻つてくる磁束の量は、シヤフト１２の磁気透過
率が中央の極からコーナーの極に至る４つすべて
の磁束経路に沿つて同一であるならば等しい。

シヤフト１２の磁気透過率は、シヤフトにトル
クが加わつていなければ全体を通じて一定であ
る。しかしトルクＴがシヤフト１２に加わるな
ら、シヤフト１２は一方の螺旋方向（例えば、コ
ーナーの極１４と１８を結ぶ対角線に従つたＳ１
に沿つて）に引つ張り力が加わる。また第１の螺
旋方向に直交する第２の螺旋方向（例えば、コー
ナーの極１６と２０を結ぶ対角線に従つたＳ２に
沿つて）に圧縮力が加わる。シヤフト１２を構成
する強磁性体の磁気透過率は、材料の受ける応力
に応じて変化し、引つ張り力が加わると増加し、
圧縮力が加わると減少する。このため、シヤフト
１２にトルクが加わつた場合、このシヤフト１２
の磁気透過率は第１の螺旋方向に増加し、これに
直交する第２の方向には減少する。

コーナーの極と中央の極を接続した直交する２
つの螺旋状の応力経路Ｓ１，Ｓ２に沿つて、磁束
の量の違いを測定することにより、透磁率の変化
が検知される。磁束の量の違いを測定するため
に、ピツクアツプコイル２４と２８の出力が互い
に加えられ、またピツクアツプコイル２６と３０
の出力も互いに加えられる。次いで、加えられた
ピツクアツプコイル２６と３０の出力は、加えら
れたピツクアツプコイル２４と２８の出力から引
かれる。シヤフト１２にトルクが加わつていなけ
れば、差信号は零である。シヤフトにトルクが加
わつていない場合には、シヤフトの磁気透過率が
経路Ｓ１とＳ２に沿つて等しいためである。これ
に対し、シヤフト１２にトルクが加わると、トル
クの加わる方向に従つて差信号はプラスかマイナ
スになり、またトルクの大きさを直接表わす大き
さを差信号は持つ。

しかしながら、第１図に示す装置のコーナーの
極を通り抜ける磁束のレベルは、螺旋状の応力経
路に沿つたシヤフト１２の磁気透過率に依存して
いるだけでなく、極とシヤフト１２の間隙の幅に
も関係している。従つて、間隙が変化すると非接
触トルクセンサから得られる出力信号に影響が及
ぶことがある。間隙幅の変化が、シヤフト１２の
半径方向の移動によつて生じることがある。シヤ
フトの半径方向の振動は、例えばセンサによつて
作り出された出力信号にスプリアスAC変動が生
じてしまう。センサ出力のスプリアスAC変動は、
得られた信号にフイルタ処理を加えることにより
軽減することができる。しかしながら、こうして
加えられたフイルタ処理はシステムの応答率を低
下させてしまうため、好ましくない。シヤフト１
２の位置は、非常に長期間のうちに半径方向に移
動してしまい、しかもフイルタ処理では取り除く
ことのできないスプリアスセンサ出力を生じてし
まうことがある。間隙の様々な変化によつて生じ
るスプリアス信号出力を減らすか完全になくすこ
とが望まれている。

第２Ａ図、第２Ｂ図および第２Ｃ図は、本発明
の技術に則つたシヤフトのねじり荷重検知装置、
即ち、非接触トルクセンサの一実施例を示す３種
類の図である。この検出装置は、シヤフトを通る
磁界を発生する磁界発生手段とその磁界の変化を
検出する磁界検出手段とを備えている。第２図の
非接触センサ５０は５つの極５２，５４，５６，
５８および６０を備えている。５つの極は、第２
Ａ図に示すような矩形プレートからなるヨーク６
２により連結されている。極とヨークとは、珪素
鋼板等の高い透磁率の材料からなる複数の薄層で
構成されている。第１図と同じように、４つの極
５４，５６，５８および６０は、矩形のヨーク２
５のコーナーに配置され、また残りの極５２はヨ
ーク２５の中央に配置されている。横方向溝６４
が中央の極５２を２つの極部品５２Ａと５２Ｂに
分割している。励磁コイル６６が中央の極５２の
全体に巻かれ、また信号ピツクアツプコイル６
８，７０，７２および７４の各々が４つのコーナ
ーの極のそれぞれ１つに巻き付けられている。上
述の磁界発生手段は一つの実施例では中央の極５
２とこの極に巻かれた励磁コイル６６とを含み、
磁界検知手段は一つの実施例では極５４，５６，
５８，６０とこれら極に巻かれた信号ピツクアツ
プコイル６８，７０，７２，７４とを含む。

第２図の実施例では、シヤフト７６は半径方向
に延びる面を有し、この面は、例えば、シヤフト
に取付けられた３つの環状の強磁性フランジ７
８，８０，８２によつて形成れる。極はフランジ
に近接して配置され、磁束経路の間隙がフランジ
の半径方向に位置した表面と極との間に介在して
いる。とりわけ、非接触トルクセンサ５０は、中
央のフランジ８０が中央の極５２の横方向溝６４
に受け入れられるように、シヤフト上に配置され
ている。従つて、一方の極部品５２Ａは中央のフ
ランジの一方の軸方向側面即ち第一の面に向かつ
て位置し、また他方の極部品５２Ｂはフランジ８
０の反対軸方向の側面即ち第二の面に向かつて位
置している。

２つの外側のフランジ７８と８２は、シヤフト
７６の螺旋状の応力経路ピツチの1/4に相当する
距離Ａ１で、中央のフランジ８０から軸方向に間
隔をあけられている。換言するならば、シヤフト
に加わる主要な応力の螺旋状の経路ピツチがシヤ
フトの円周距離に等しいことがわかつているた
め、シヤフトの円周距離の1/4にわたつて中央の
フランジ８０から間隔をあけられている。従つ
て、中央の極５２に隣接したシヤフト表面上の地
点を通り抜ける螺旋状の応力経路は、外側のフラ
ンジ７８または８０の何れか一方に到達するまで
にシヤフトの廻りを90度移動している。従つて最
高の感度を得るためには、外側の極５４，５６，
５８および６０は、中央の極５２に隣接した地点
よりシヤフトの廻りを90度移動した地点で、外側
のフランジ７８と８２から磁束を受け取るように
配置しておく必要がある。（第２Ｃ図参照）この
ため極５４と５６は、極５８と６０がシヤフト７
６に近接して配置された箇所とは相対する反対側
の地点で、シヤフト７６に近接して設けられてい
る。

コーナーの極５４，５６，５８および６０は、
距離Ｂ１にわたつて中央の極５２の中心から横方
向に隔てられている。この距離Ｂ１は、シヤフト
７６の半径より大きい。また、４つすべてのコー
ナーの極５４，５６，５８および６０は、シヤフ
トの両側で当該シヤフトの半径方向の中心位置を
越えて突き出せる充分な長さがある。この状態
は、第２Ｃ図より詳しく理解することができる。
中央の極５２に対するコーナーの極５４，５６，
５８および６０の軸方向の間隔は、箇々のコーナ
ーの極がシヤフトの円筒状表面に近接するのでは
なく、連係するフランジの半径方向に位置した表
面に実質的に近接するように選択されている（例
えば、10ミリメートルに対し１ミリメートル）。
従つて大部分の磁束は、コーナーの極とシヤフト
の間の半径方向の間隙を横切るよりはむしろ、コ
ーナーの極とフランジとの間の軸方向の間隙を通
り抜ける。第２図に示した装置は、対角線上で向
かい合つた信号ピツクアツプコイルの出力を互い
に加えるため、シヤフト７６の横方向と軸方向の
運動に対し感度が敏感である。例えば、シヤフト
７６が第２Ａ図と第２Ｂ図で見て左に向けて軸方
向に移動するなら、フランジ７８はコーナーの極
５６と５８に接近する。その結果、これらの極と
フランジ７８との間の間隙が狭まる。しかしなが
らこれと同時に、反対側にある外側のフランジ８
２は他方のコーナーの極５４と６０から離れる。
その結果、距離を相殺するためにこれらの極とフ
ランジ８２の間の間隙は広まる。このため、極５
４と５８を通り抜ける磁束の総量、および極５６
と６０を通り抜ける磁束の総量は変化しない。ま
た中央のフランジ８０と中央の極５２との間の有
効間隙もほぼ一定に保たれる。フランジ８０が極
部品５２Ｂに接近していくが、極部品５２Ａから
更に離れていくためである。

シヤフト７６が半径方向に移動しても同じよう
な効果が得られる。例えば、シヤフト７６が第２
Ｃ図で見て左へ僅かに移動すると、フランジ７８
と８２は幾分広い範囲にわたつてコーナーの極５
４と５６に重なる。従つて、これら極を通じた磁
束の接続量が増える。しかしながらこれと同時
に、外側のフランジ７８と８２は他方のコーナー
の極５８と６０から離れる。従つて、これら極に
よる磁束の接続量は減少する。このため、対角線
上で向かい合つた対のコーナーの極それぞれを通
り抜ける磁束の総量はほぼ一定に保たれる。シヤ
フト７６が（再び第２Ｃ図で見て）僅かに上向き
に移動しても、外側のフランジとコーナーの極と
の間の間隙幅および断面積はほぼ一定に保たれ
る。中央の極５２と中央のフランジ８０の間の間
隙断面積は広がり、中央の極とシヤフト７６の間
の磁束の接続量は幾分増える。しかし、４つすべ
てのコーナーの極を通り抜ける磁束の量が同じよ
うに増加するため、出力信号に大きな影響を及ぼ
すことはない。何れにせよ、（以下に説明する）
第３図に示した信号処理回路は、シヤフト７６と
中央の極５２との間の接続にそうした変動が生じ
ても、トルクセンサの出力信号を自動的に補正す
る信号正規化作用を備えている。

第２Ａ図、第２Ｂ図および第２Ｃ図の装置によ
つて得られる改良点は、主に装置の２つの特徴に
よる。先ず、シヤフトと極部品との間の間隙がす
べて軸方向の間隙であり、シヤフト７６が半径方
向に移動してもこれら間隙は増減しないことであ
る。Ｐ２に、４つのコーナーの極がシヤフト７６
に対し対称的な位置関係で配置されていることが
ある。２つの極５４と５６は、極５８と６０に対
しシヤフトの相対する反対側にある。従つて、一
方または他方の間隙の断面積を増減することのあ
るシヤフトの半径方向変位は、距離を相殺するこ
とで、シヤフトの反対側の間隙断面積に自動的に
影響を及ぼす。同じく、コーナーの極はフランジ
７８と８２の向かい合つた軸方向側部に隣接して
いる。このため、シヤフト７６の軸方向の移動で
一方のフランジに付属した間隙幅が広がると、他
方のフランジに付属した間隙の幅が狭まつて相殺
される。従つてこのトルクセンサは、シヤフト７
６とセンサ組立体５０の相対位置に影響を及ぼす
振動および他の機械的な変動に対し大きく影響さ
れない。

第２図の装置は、第１図の従来技術より優れた
その他の幾つかの利点を備えている。第２図で
は、２つの平行な平らな表面がそれぞれ間隙を形
成する。そうした平らな表面は、第１図の従来技
術における極部品の端部に湾曲した表面を機械加
工するより、実質的に加工が易しい。さらに、中
央の極とコーナーの極との間の磁束経路は、第１
図の従来技術の試みより第２図の装置の方が長
い。そうした磁束経路を通じての磁気透過率の変
化によると、比較的短かい経路の第１図の装置に
比べて総磁束量に非常に大きな変化が生じる。結
果的に、第２図の装置は加わつたトルクに対し非
常に敏感な感度を備えている。従つて、小さい直
径のシヤフトのトルクを測定するのにも手軽に用
いることができる。第３図は、第２図の装置に組
み合わせて使用される。信号処理回路のブロツク
線図である。第３図に示すように、励磁コイル６
６は、発信器９０から送られてくるAC信号によ
つて励振される。電流励振器９２は、発信器９０
から送られてくるAC電圧信号を励磁コイル６６
に送るAC電流信号に変換する。AC電流信号は、
予め定められた安定したピーク値を備えている。
励磁コイルから発生した磁界は、第２図に関連し
て説明したように間隙、フランジ、シヤフト、お
よび極部品を通じてピツクアツプコイル６８，７
０，７２および７４に伝えられる。

対角線上で向かい合つた信号ピツクアツプコイ
ルは、出力信号が互いに効果的に加わるように直
列に連結されている。でき上がつた出力信号は信
号処理回路９３で処理される。とりわけ、直列に
連結された対のピツクアツプコイル６８と７２の
一方の端は信号アースに連結され、これに対し反
対の端は、従来構造の増幅器検知回路９４の入力
部に連結されている。直列に連結された他方の対
の信号ピツクアツプコイル７０と７４も同じよう
に、アースと増幅器検知回路９５との間に連結さ
れている。各々の増幅器検知回路９４と９５は、
付属の対の信号ピツクアツプ回路から送られてき
たAC信号を増幅し、次いで増幅したAC信号のピ
ーク振幅を検知する。回路９４と９５の出力側に
生じるピーク信号は、これら回路の入力側に表わ
れるAC信号のピーク振幅の変化に応じて変動す
る。ピーク信号は、信号減算器回路９６内で互い
に引かれ、差信号が作り出される。

割り算器９７は、４つすべてのコーナーの極を
通り抜ける総磁束量を表わす第２の信号でこの差
信号を割り、差信号を正規化する。第２の信号は
加算器回路９９によつて作り出される。この加算
器回路９９は、増幅器検知回路９４と９５により
作り出された２つの出力信号を加え合わせてい
る。事実上、総磁束量は一定に保たれている。従
つて、加算器回路９６の出力も一定に保たれる。
しかし総磁束量が変化すると、信号減算器回路の
出力側の位置で差信号の利得に生じるこれに付随
した変化は、加算器回路９９の出力側に生じる相
対する変化により、割り算器９７で自動的に補償
される。正規化された差信号は、フイルタ回路９
８によりフイルタ処理される。

フイルタ回路９８の出力信号T_Sは、シヤフト
７６に加わつたトルクを表し、またこのトルクに
応じて変化する。シヤフト７６にトルクが加わつ
ていなければ、磁束は同じ大きさで信号ピツクア
ツプコイル６８，７０，７２および７４に加わつ
ている。このため増幅器検知回路９４と９６の出
力は等しく、出力信号T_Sは０である。しかし、
シヤフト７６にトルクが加われば、中央の極５２
と４つのコーナーの極５４，５６，５８および６
０を結ぶ螺旋状の磁束経路に沿つて、シヤフト７
６に生じる磁気透過率の変化により、増幅器検知
回路９４と９６の出力はある大きさで互いに異な
る。この大きさは、加えられたトルクの大きさ
と、磁気回路の総磁束量に正比例している。総磁
束量との依存関係は、割り算器９７で行なわれる
正規化により解消される。従つて、第３図の回路
の出力信号T_Sは、シヤフト７６に加わるトルク
の大きさと方向を直接的に表わす大きさと極性を
備えている。前述したように、第３図の回路の出
力T_Sは、センサ組立体５０に対するシヤフト７
６の振動およびその他の小さい軸方向並びに横断
方向の変位に大きく影響を受けない。

第４Ａ図、第４Ｂ図および第４Ｃ図は、本発明
の技術に則つた非接触トルクセンサの第２の実施
例を示す３種類の図である。第４図の実施例で
は、センサ組立体１００は第２図のセンサ組立体
５０にある程度似ている。しかし、シヤフト１０
２は第２図の３つのフランジを備えていない。セ
ンサ組立体１００も同じように５つの極１０４，
１０６，１０８，１１０および１１２を備えてい
る。中央の極１０４は励磁コイル１０４が巻か
れ、また信号ピツクアツプコイル１１６，１１
８，１１２０および１２２が４つのコーナーの極
の廻りに巻かれている。５つの極は、第２図のヨ
ーク６２と同じように、ヨーク１２４により連結
されている。

第４図の実施例では、極部品の間隙が、シヤフ
ト１０２の円筒状表面と相対する極部品の内側表
面との間に介在している。各間隙は、螺旋状の応
力経路に沿つて位置している。この応力経路は、
中央の極１０４の中心が配置された地点に隣接し
たシヤフト１０２上の地点を通つている。コーナ
ーの極は、螺旋状の応力経路に沿つて充分に間隔
をあけて配置されている。ただし、極部品１０６
と１０８に付随した間隙は、極部品１１０と１１
２に付随した間隙の円周方向の位置に相対する反
対側の円周方向位置にある。適当な空間を設ける
ために、極部品１０６，１０８，１１０および１
１２のすべては、シヤフト１０２の螺旋状の応力
経路のほぼ1/4のピツチに等しい距離A2で、中央
の極１０４から軸方向に間隔をあけられている。
コーナーの極部品は、中央の極１０４の中心と各
コーナーの極の内側表面との間の距離B2が、シ
ヤフト１０２の半径とコーナーの極の所望の間隙
とを加えたものに等しくなるように、このB2の
距離で中央の極部品１０４の中心から横方向に隔
てられている。箇々のコーナーの極は、C2の大
きさだけ中央の極より長い。このC2は、シヤフ
ト１０２の半径より幾分大きく、結果的にシヤフ
トをコーナーの極が跨がつている。

こうした配置により、各コーナーの極とシヤフ
ト１０２の間の間隙は、シヤフト１０２とコーナ
ーの極の内側に向いた表面との間の間隙に一致す
る。間隙はシヤフト１０２の廻りで相対する反対
側の位置に設置されている。従つて、シヤフトが
半径方向に移動しても、シヤフトの両側にあるコ
ーナーの極の間隙は大きさの変化が相殺される。
従つて、シヤフトの半径方向の移動によつて、信
号ピツクアツプコイルの加算した出力に実質的な
見せかけの信号成分が入り込むことがない。もち
ろん第４図のトルクセンサは、第３図の信号処理
回路と一緒に使用することもできる。

一部の例では、第２図と第４図に示す実施例か
ら４つのコーナーの極のうちの２つを省略するこ
とが望ましいこともある。第２図と第４図に示し
た４つのコーナーの極構造は、付属シヤフトが高
速度で回転されるかまたは回転されることのある
場合に有益である。シヤフトの回転により当該シ
ヤフトにうず電流が発生し、このうず電流により
シヤフトの磁束は中央の極の軸方向側部に向けて
集められる。しかし、対角線状の各対のコーナー
の極を通り抜ける総磁束量がほぼ一定に保たれて
いるため、４つのコーナーの極のセンサから発生
する出力信号が、磁束の収束によつて影響を受け
ることはない。一部の適用例では、シヤフトは磁
束のほぼ軸方向の収束を起こす程、高速で回転さ
れない。こうした実施例では、２つのコーナーの
極（例えば、第２図の極５６と５８、または第４
図の極１０８と１１０）を省略することができ
る。しかしながら、第２図の実施例から２つのコ
ーナーの極を省略する場合、残された２つのコー
ナーの極の軸方向の間隙の移動は、中央の極を境
に対角線状に向かい合つた他方の間隙の移動と相
殺することによる補償が行なわれない。しかし、
残された２つの間隙の両者は、シヤフトの軸方向
位置に関係なく概ね同じ幅がある。このため、シ
ヤフトの軸方向の移動はトルク信号の利得に影響
を及ぼすに過ぎない。利得の変化は、第３図に示
した信号の正規化により除去することができる。

第５図は、自動車のパワーステアリング装置を
図示している。この装置には、第２図と第４図に
示す非接触トルクセンサを有益に使用することが
できる。第５図のパワーステアリング装置２００
では、自動車の運転者からステアリングホイール
２０２に加わる手動トルクは、ステアリングシヤ
フト２０４を通じて車両の操縦ホイール２０８を
動かすラツクまたはねじ構造体２０６に伝えられ
る。（第３図に関連して先に説明したエレメント
を備えている）非接触トルクセンサ２０６は、ス
テアリングシヤフト２０４に組み込まれ、当該ス
テアリングシヤフトに加わつているトルクの方向
と大きさを表わす出力信号T_Sを発生する。トル
ク信号T_Sは、例えば車両の速度を表わす他の入
力信号と共に、電気制御ユニツト２１０に送られ
る。電気制御ユニツト（ECU）２１０は、ラツ
クまたはねじ構造体２０６に連結された電気モー
タ２１２を制御する。電気制御ユニツト２１０
は、ステアリングシヤフト２０４に加わるトルク
を減少する方向に電気モータを作動する。この種
のシステムは、本件出願の譲り受け人に譲渡され
た米国特許第4415054号に記載されている。

本発明は好ましい実施例との関係において説明
してきたが、添付の特許請求の範囲に特定されて
いるような本発明の精神と範囲から逸脱しなけれ
ば、各部分に様々な修正並びに変更を加えられる
ことは明らかである。例えば、第２図と第４図の
実施例に用いた極は、図示したものとは実質的に
異なる形状を持つこともでき、また信号ピツクア
ツプコイルの出力を合成し且つ処理するのに使う
電気回路は、第３図に示したものとは異なつても
よい。一部の例では、コイル６８と７２をコイル
７０と７４に非直列状態に接続して、別体の信号
減算回路を通さないでコイルを当該回路に直接接
続することで、信号減算処理を行なうことが望ま
しいこともある。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図、第１Ｂ図および第１Ｃ図は、従来技
術の非接触トルクセンサのそれぞれ平面図、側面
図および端面図である。第２Ａ図、第２Ｂ図およ
び第２Ｃ図は、本発明の技術に則つた非接触トル
クセンサのそれぞれ平面図、側面図および端面図
である。第３図は、第２図のトルクセンサが使用
される回路のブロツク図である。第４Ａ図、第４
Ｂ図および第４Ｃ図は、本発明の技術に則つた非
接触トルクセンサの第２の実施例を示す、それぞ
れ平面図、側面図および端面図である。第５図
は、本発明のトルクセンサを組み込んだパワース
テアリング装置のブロツク図である。 ５０……非接触トルクセンサ、５２……中央の
極、５２Ａ，５２Ｂ……中央の極の極部品、５
４，５６，５８，６０……コーナーの極、６４…
…横方向溝、６６……励磁コイル、６８，７０，
７２，７４……信号ピツクアツプコイル、７６…
…シヤフト、７８，８０，８２……強磁性フラン
ジ、９０……発信器、９２……励磁器、９３……
信号処理回路、９４，９５……増幅器検知回路、
９６……信号減算器回路、９７……割り算器、９
８……フイルタ回路、９９……加算器回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ シヤフトの磁気透過率が当該シヤフトのねじ
   り荷重の変動に応じて変化する、シヤフトのねじ
   り荷重を検知するための装置において、前記シヤ
   フトを通り抜ける磁界を発生するための磁界発生
   手段５２，６６と、前記磁気透過率の変動によつ
   て生じる磁界の変化を検知するための磁界検知手
   段５４，５６，５８，６０，６８，７０，７２，
   ７４とを有し、前記磁界発生手段が、前記シヤフ
   トに隣接して配置され当該シヤフトに出入りする
   磁束を接続するための少なくとも１つの極５４を
   備え、該極が前記シヤフトから間隙をあけて配置
   されており、しかも当該シヤフトは前記極が隣接
   して配置される半径方向に延びる面を備えてお
   り、該半径方向に延びる面と前記極との間に軸方
   向の間隙が設けられ、この間隙が前記シヤフトの
   半径方向の移動によつて変化することのない、シ
   ヤフトのねじり荷重検知装置。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載のシヤフトのね
   じり荷重検知装置において、前記シヤフトが、軸
   方向に対向する半径方向に延びる第１と第２の面
   を備え、磁界発生手段は、各々が前記第１および
   第２の面のそれぞれ１つに隣接して配置された少
   なくとも２つの極部品５２Ａ，５２Ｂを備えてお
   り、前記磁界検知手段が、前記極部品の磁束を検
   知し且つ当該極部品の両方の総磁束量を表わす出
   力信号を発生することのできる手段を備え、前記
   出力信号が前記シヤフトの軸方向と半径方向の移
   動によつて影響を受けない、シヤフトのねじり荷
   重検知装置。 ３ 特許請求の範囲第２項に記載のシヤフトのね
   じり荷重検知装置において、前記磁界検知手段が
   一方の極部品の廻りに巻かれた第１のコイルと、
   他方の極部品の廻りに巻かれた第２のコイルと、
   前記第１および第２のコイルにより作り出された
   信号から前記出力信号を発生することのできる手
   段とを有する、シヤフトのねじり荷重検知装置。 ４ 特許請求の範囲第３項に記載のシヤフトのね
   じり荷重検知装置において、前記出力信号を発生
   することのできる手段が、前記第１と第２のコイ
   ルを直列に連結するための手段を有し、その結
   果、この直列に連結したコイルを横切つて前記極
   部品の両方の総磁束量を表わす合計信号が作り出
   される、シヤフトのねじり荷重検知装置。 ５ 特許請求の範囲第１項に記載のシヤフトのね
   じり荷重検知装置において、前記磁束発生手段
   が、励磁コイルの巻かれた第１の極と、第２およ
   び第３の極と、ヨーク手段とを有し、前記第１の
   極は、前記シヤフトに隣接して配置され、前記励
   磁コイルによつて発生した磁束を当該シヤフトに
   接続する部分を備え、前記第２および第３の極の
   各々が、前記シヤフトに隣接して配置され、この
   シヤフトから磁束を受け取ることのできる部分を
   備えており、また前記ヨーク手段は、前記第２お
   よび第３の極が前記シヤフトから受け取つた磁束
   を、当該ヨーク手段を通じて前記第１の極に戻す
   ように、当該第１、第２および第３の極を磁気的
   に接続することができ、しかも前記磁界検知手段
   が、前記第２の極の廻りに巻かれた第１の信号ピ
   ツクアツプコイルと、前記第３の極の廻りに巻か
   れた第３の信号ピツクアツプコイルとを有し、
   箇々の前記信号ピツクアツプコイルが出力信号を
   発生するようにした、シヤフトのねじり荷重検知
   装置。 ６ 特許請求の範囲第５項に記載のシヤフトのね
   じり荷重検知装置において、前記半径方向に延び
   る面が、前記シヤフトの廻りの螺旋状の応力経路
   の1/4のピツチにほぼ等しく前記第１の極から軸
   方向に離れた地点で、当該シヤフトの周面の廻り
   に突き出しており、前記第２と第３の極は前記半
   径方向の表面に隣接して配置され、当該第２と第
   ３の極がこれら第２と第３の極を前記半径方に延
   びる面から仕切る間隙を横切つて前記シヤフトか
   ら磁束を受け取るようにしたシヤフトのねじり荷
   重検知装置。 ７ 特許請求の範囲第６項に記載のシヤフトのね
   じり荷重検知装置において、前記第２と第３の極
   に付随する前記軸方向の間隙の各々が、前記第１
   の極からほぼ90度で当該第１の極の相対する円周
   方向の側部にて円周方向に間隔をあけられ、その
   結果、当該間隙がシヤフトの相対する両側に位置
   しているシヤフトのねじり荷重検知装置。 ８ 特許請求の範囲第７項に記載のシヤフトのね
   じり荷重検知装置において、さらに、前記第２の
   信号ピツクアツプコイルによつて作り出された出
   力信号から前記第１の信号ピツクアツプコイルに
   よつて作り出された出力信号を減算するための手
   段を有し、これにより前記シヤフトに加わるトル
   クの大きさと方向と表わす差信号が作り出され
   る、シヤフトのねじり荷重検知装置。 ９ 特許請求の範囲第１項に記載のシヤフトのね
   じり荷重検知装置において、前記シヤフトは、フ
   ランジの軸方向両側で半径方向に延びる面を形成
   している環状のフランジを備え、そして前記少な
   くとも１つの極手段が、フランジを受け入れるよ
   うになつた横方向溝を持つ第１の極を有し、その
   結果、前記第１の極は前記フランジを跨ぐように
   配置することができ、当該第１の極がフランジを
   跨いで配置された場合、この第１の極は軸方向の
   間隙により前記フランジの各側面から隔てられて
   おり、当該間隙が、この軸方向の間隙を通じて前
   記磁束がシヤフトに出入りするように接続するこ
   とのできる小さい間隙である、シヤフトのねじり
   荷重検知装置。 １０ 特許請求の範囲第９項に記載のシヤフトの
   ねじり荷重検知装置において、前記磁界発生手段
   が、前記第１の極と、さらに当該第１の極の廻り
   に巻かれてこの極に磁界を発生させるための励磁
   コイルとを有し、前記磁界が、前記軸方向の間隙
   とフランジを通じて前記シヤフトに接続されてい
   る、シヤフトのねじり荷重検知装置。 １１ 特許請求の範囲第１０項に記載のシヤフト
   のねじり荷重検知装置において、前記磁界発生手
   段が、さらに、第１および第２の対のコーナーの
   極を有し、これらすべてのコーナーの極は前記シ
   ヤフトに隣接して配置されているが、当該シヤフ
   トから箇々に間隙を設けて離され、これらコーナ
   ーの極のすべてが、前記シヤフトから第１の極へ
   前記磁束を戻すための経路を形成しており、前記
   第１の対の２つのコーナーの極は、前記第１の極
   に隣接したシヤフト上の地点を通る２つの螺旋状
   の応力経路の一方にほぼ沿つて、間隔を置いた地
   点に配置されており、この間隔を置いた地点が前
   記第１の極から等距離で相対する軸方向側部に位
   置しており、また前記第２の対の２つのコーナー
   の極は、２つの螺旋状の応力経路の他方にほぼ沿
   つて、間隔を置いた地点に配置され、当該第１の
   極から等距離で相対する軸方向側面に位置してお
   り、各対のコーナーの極は、当該対のコーナーの
   極の各々に付随した２つの間隙が、前記シヤフト
   の廻りの相対する反対側の円周方向地点にくるよ
   うに、互いに充分に間隔をあけて配置されてお
   り、その結果、前記シヤフトが半径方向に移動し
   ても前記２つの間隙の大きさの変化は相殺される
   ような、シヤフトのねじり荷重検知装置。 １２ 特許請求の範囲第１１項に記載のシヤフト
   のねじり荷重検知装置において、第２と第３の環
   状のフランジが、前記螺旋状の応力経路のほぼ1/
   ４のピツチで、第１の環状のフランジの何れかの
   側に軸方向に間隔を置いて前記シヤフトに取り付
   けられており、前記コーナーの極の各々は、これ
   ら第２と第３の環状のフランジの一方にある半径
   方向に延びる面に隣接して配置され、その結果、
   磁束が、主に前記コーナーの極を環状のフランジ
   から隔てる間隙を横切つて、当該コーナーの極と
   前記シヤフトとの間で接続されているシヤフトの
   ねじり荷重検知装置。 １３ 特許請求の範囲第１項に記載のシヤフトの
   ねじり荷重検知装置において、磁界発生手段が、
   四角形のコーナーに配置された４つの極と、当該
   四角形の中央に配置された極と、前記コーナーの
   極とこの中央の極とを磁気的に接続するためのヨ
   ークと、前記中央の極の廻りに巻かれ当該中央の
   極に磁界を発生することのできる励磁コイルとを
   有し、前記極は、前記磁界が中央の極を通り抜
   け、前記シヤフトへと軸方向の間隙を横切り、２
   つの対角線状の応力経路に沿つてこのシヤフトを
   通り抜け、軸方向の間隙を前記コーナーの極へと
   横切り、これらコーナーの極と前記ヨークとを通
   り抜けて中央の極まで戻るようにしたシヤフトの
   ねじり荷重検知装置。 １４ シヤフトのねじり荷重の変動に際し、磁気
   透過率が螺旋状の応力経路に沿つて変化する、シ
   ヤフトのねじり荷重検知装置において、当該装置
   が、 前記シヤフトに隣接して配置された励磁手段
   と、 前記シヤフトに隣接して配置されているが、
   箇々の間隙により当該シヤフトから離されている
   複数の極と、 前記極を通り抜ける磁束の変化を検知し、且つ
   この磁束の変化に応じて出力信号を作り出すため
   の手段とを有し、 前記励磁手段は、磁束を発生して、当該励磁手
   段と前記シヤフトを通り抜ける磁束を形成するこ
   とができ、 前記極は、前記シヤフトから励磁手段に磁束が
   戻るための経路となつており、当該極の１つが、
   前記励磁手段に隣接した前記シヤフト上の地点を
   通る２つの螺旋状の応力経路の一方にほぼ沿つた
   地点に配置されており、また別の極が、これら２
   つの螺旋状応力経路の他方にほぼ沿つた地点に配
   置されており、 前記一方の極と別の極とは、前記励磁手段と同
   一の軸方向側部にあつて、当該極に付随した２つ
   の間隔が前記シヤフトの廻りの相対する反対側の
   円周方向地点にくるように、前記螺旋状の応力経
   路に沿つて各々の極が当該励磁手段から90度にわ
   たり角度方向に離されており、その結果、前記シ
   ヤフトが半径方向に移動しても前記２つの間隙の
   変化は相殺されるような、シヤフトのねじり荷重
   検知装置。 １５ 特許請求の範囲第１４項に記載のシヤフト
   のねじり荷重検知装置において、前記極とシヤフ
   トの間にある少なくとも１つの前記間隙が軸方向
   の間隙である、シヤフトのねじり荷重検知装置。 １６ 特許請求の範囲第１４項に記載のシヤフト
   のねじり荷重検知装置において、前記極とシヤフ
   トの間にあるすべての前記間隙が軸方向の間隙で
   ある、シヤフトのねじり荷重検知装置。 １７ 特許請求の範囲第１４項に記載のシヤフト
   のねじり荷重検知装置において、複数の環状のフ
   ランジが前記シヤフトに取り付けられ、また前記
   極の各々が前記フランジの一方の半径方向に延び
   る面に隣接して配置され、磁束が、前記フランジ
   を前記極から隔てる軸方向の間隙を横切つて、当
   該極と前記シヤフトとの間で接続されている、シ
   ヤフトのねじり荷重検知装置。 １８ 特許請求の範囲第１４項に記載のシヤフト
   のねじり荷重検知装置において、前記磁束検知手
   段は、各々が箇々の前記極の廻りに巻かれる複数
   の検知コイルを有している、シヤフトのねじり荷
   重検知装置。 １９ 特許請求の範囲第１８項に記載のシヤフト
   のねじり荷重検知装置において、さらに、前記検
   知コイルによつて作り出された信号に応答し、前
   記シヤフトに加わつたねじり荷重の方向と大きさ
   を表わす出力信号を作り出すことのできる信号処
   理手段を有している、シヤフトのねじり荷重検知
   装置。 ２０ 特許請求の範囲第１４項に記載のシヤフト
   のねじり荷重検知装置において、前記複数の極
   が、さらに、前記２つの螺旋状の応力経路に沿つ
   て配置されているが、前記一方の極と別の極に対
   し前記磁界発生手段の相対する軸方向側面にある
   他に２つの極を備えており、前記磁界検知手段
   が、前記極４つすべて磁束の変化を検知するため
   の手段を有している、シヤフトのねじり荷重検知
   装置。 ２１ 特許請求の範囲第２０項に記載のシヤフト
   のねじり荷重検知装置において、前記磁界検知手
   段が、 (A) 前記２つの螺旋状の応力経路の１つに沿つた
   ２つの極の合計磁束と、 (B) 前記２つの螺旋状の応力経路の他方に沿つた
   ２つの極の合計磁束と、の間の差を検知しそし
   て表示するため の手段を有している、シヤフトのねじり荷重検知
   装置。 ２２ 特許請求の範囲第２０項に記載のシヤフト
   のねじり荷重検知装置において、複数の環状のフ
   ランジが前記シヤフトに取り付けられ、また前記
   極の各々が前記フランジの一方の半径方向に延び
   る面に隣接して配置され、磁束が、前記フランジ
   を前記極から隔てる軸方向の間隙を横切つて、当
   該極と前記シヤフトとの間で接続されている、シ
   ヤフトのねじり荷重検知装置。